The Fabrication of Plasmonic/Photonic Nanostructures in Polymers: Mechanical Sensor Applications

Abstract

Functional polymer nanocomposites offer futuristic properties by the association of inorganic additive micro-/nanostructures into the polymers. With the growing knowledge of the physical fundamentals, stimuli-responsive polymeric composites enable detection of chemical, thermal, and mechanical changes by optical sensors and probes. Since the accurate real-time detection of the change in mechanical loading is vital for construction and industrial fields, the use of colorimetric pressure elements in a static body is important for the prediction of catastrophic failures. In this thesis, strain/pressure responsive colorimetric films were produced. A number of polymer nanocomposite-based mechanical sensors are presented. By transferring the optical activity (coherent reflection and plasmonic coupling) of the additives into various polymeric matrices having different mechanical features, the strain and pressure sensors are developed for practical applications. There are two approaches used for the fabrication of polymeric mechanical sensors: i) PDMS/SiO2 composites, ii) PAAm/Au NP composites. The coherent reflectivity of SiO2 colloidal particle arrays was used to develop strain sensors while controllable localized surface plasmon resonance of Au NPs was employed for pressure sensors. These optical systems were separately associated with viscoelastic and elastic polymeric systems, and sensor properties were discussed.

Fonksiyonel polimer nanokompozitler, inorganik katkı mikro ve nanoyapıların polimerlere birleştirilmesiyle fütüristik özellikler sunar. Fiziksel temellere dair artan bilgi birikimiyle, uyarıcılara duyarlı polimerik kompozitler; optik sensörler ve problar tarafından kimyasal, termal ve mekanik değişiklikleri tespit etmeyi sağlar. Mekanik etkideki değişimin gerçek zamanlı olarak tespit edilmesi, inşaat ve endüstriyel alanlar için hayati öneme sahip olduğundan, statik bir gövdede kolorimetrik basınç elemanlarının kullanılması, felakete neden olabilecek kusurların tahmini için önemlidir. Bu tez çalışmasında, gerinim/basınç duyarlı kolorimetrik filmler üretilmiştir. Bir takım polimer nanokompozit temelli mekanik sensörler sunulmuştur. Katkı maddelerinin optik aktivitesini (uyumlu yansıma ve plazmonik eşleşme), farklı mekanik özelliklere sahip çeşitli polimerik ortamlara transfer ederek, pratik uygulamalar için gerilme ve basınç sensörleri geliştirilmiştir. Polimerik mekanik sensörlerin üretimi için iki yaklaşım kullanılmıştır; i) PDMS/SiO2 kompozitleri, ii) PAAm / Au NP kompozitleri. SiO2 kolloidal tanecik motiflerinin uyumlu yansıtıcılığı, gerinim sensörlerini geliştirmek için kullanılırken, Au nanotaneciklerin lokalize yüzey plazmon rezonansı basınç sensörlerinde kullanılmıştır. Bu optik sistemler ayrı ayrı viskoelastik ve elastik polimerik sistemler ile birleştirilmiş ve sensör özellikleri tartışılmıştır.